Le migliori misurazioni di sempre della mappa di superficie della Pulsar J0030 + 0451

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Quando una stella massiccia muore, finisce il carburante, collassa sotto il suo stesso peso ed esplode come una supernova. Queste morti stellari possono lasciare dietro le stelle di neutroni, che racchiudono più massa del nostro Sole in una sfera più o meno larga quanto l’isola di Manhattan è lunga. Le pulsar, che sono una classe di stelle di neutroni, ruotano fino a centinaia di volte al secondo e trascinano raggi di energia verso di noi ad ogni rotazione. J0030 gira 205 volte al secondo.

Per decenni, gli scienziati hanno cercato di capire esattamente come funzionano le pulsar. Nel modello più semplice, una pulsar ha un potente campo magnetico a forma di magnete a barra per uso domestico. Il campo è così forte che strappa le particelle dalla superficie della pulsar e le accelera. Alcune particelle seguono il campo magnetico e colpiscono il lato opposto, riscaldando la superficie e creando punti caldi ai poli magnetici. Tutta la pulsar si illumina debolmente ai raggi X, ma i punti caldi sono più luminosi. Mentre l’oggetto ruota, questi punti si spostano dentro e fuori dalla vista come i raggi di un faro, producendo variazioni estremamente regolari nella luminosità dei raggi X dell’oggetto . Ma i nuovi studi NICER su J0030 mostrano che le pulsar non sono così semplici.

pulsar j0030
Crediti: Gsfc/Nasa

Usando le osservazioni di NICER da luglio 2017 a dicembre 2018, due gruppi di scienziati hanno mappato i punti caldi di J0030 usando metodi indipendenti e hanno ottenuto risultati simili per massa e dimensioni. Una squadra guidata da Thomas Riley, uno studente di dottorato in astrofisica computazionale, e la sua supervisore Anna Watts, una professoressa di astrofisica all’Università di Amsterdam , hanno determinato che la pulsar è circa 1,3 volte la massa del Sole e 25,8 miglia (25,4 chilometri) di larghezza. Cole Miller, un professore di astronomia all’Università del Maryland (UMD) che ha guidato la seconda squadra, ha scoperto che J0030 è circa 1,4 volte la massa del Sole e leggermente più grande, larga circa 26 km.

“Quando abbiamo iniziato a lavorare su J0030, la nostra comprensione di come simulare le pulsar era incompleta, e lo è ancora”, ha detto Riley. “Ma grazie ai dati dettagliati di NICER, agli strumenti open source, ai computer ad alte prestazioni e al fantastico lavoro di squadra, ora disponiamo di un framework per lo sviluppo di modelli più realistici di questi oggetti.”

Una pulsar è così densa che la sua gravità deforma il vicino spazio-tempo – il “tessuto” dell’universo come descritto dalla teoria della relatività generale di Einstein – più o meno allo stesso modo in cui una palla da bowling su un trampolino allunga la superficie. Lo spazio-tempo è così distorto che la luce dal lato della pulsar rivolta verso di noi viene “piegata” e reindirizzata alla nostra vista. Questo rende la stella più grande di quello che è. L’effetto significa anche che i punti caldi non possono mai scomparire completamente mentre ruotano verso il lato più lontano della stella. NICER misura l’arrivo di ogni radiografia da una pulsar a un valore superiore a cento nanosecondi, una precisione circa 20 volte superiore a quella precedentemente disponibile, quindi gli scienziati possono sfruttare questo effetto per la prima volta.

“Le misurazioni senza precedenti dei raggi X di NICER ci hanno permesso di effettuare i calcoli più precisi e affidabili delle dimensioni di una pulsar fino ad oggi, con un’incertezza inferiore al 10%”, ha affermato Miller. “L’intero team di NICER ha dato un importante contributo alla fisica fondamentale che è impossibile sondare nei laboratori terrestri.”

 

Gli scienziati hanno raggiunto una nuova frontiera nella nostra comprensione delle pulsar, i resti densi e vorticosi delle stelle esplose, grazie alle osservazioni della star della Neutron della NASA Interior Composition Explorer (NICER). I dati di questo telescopio a raggi X a bordo della Stazione Spaziale Internazionale hanno prodotto le prime misurazioni precise e affidabili sia della dimensione di una pulsar che della sua massa.

La pulsar in questione, J0030 + 0451 (in breve J0030), è una pulsar solitaria che si trova a 1.100 anni luce di distanza nella costellazione dei Pesci. Mentre misurava il peso e le proporzioni della pulsar, NICER ha rivelato che le forme e le posizioni dei punti caldi di milioni di gradi sulla superficie della pulsar sono molto più strane di quanto si pensi.

Usando le osservazioni di NICER da luglio 2017 a dicembre 2018, due gruppi di scienziati hanno mappato i punti caldi di J0030 usando metodi indipendenti e hanno ottenuto risultati quasi identici per massa e dimensioni. Un team, guidato da ricercatori dell’Università di Amsterdam, ha determinato che la pulsar è circa 1,3 volte la massa del Sole, larga 15,8 miglia (25,4 chilometri) e ha due punti caldi: uno piccolo e circolare, l’altro lungo e a mezzaluna. Una seconda squadra ha scoperto che J0030 è circa 1,4 volte la massa del Sole, larga circa 16,2 miglia (26 chilometri) e ha due o tre punti caldi di forma ovale. Tutti i punti in tutti i modelli si trovano nell’emisfero meridionale della pulsar, a differenza delle immagini dei libri di testo in cui i punti si trovano su lati opposti, ad ogni altro polo magnetico.

La nostra vista dalla Terra si affaccia sull’emisfero settentrionale di J0030. Quando i team hanno mappato le forme e le posizioni dei punti di J0030, si aspettavano di trovarne uno in base all’immagine del libro di testo delle pulsar, ma non lo fecero. Invece, i ricercatori hanno identificato fino a tre “punti” caldi, tutti nell’emisfero meridionale.

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Simulazione di una possibile configurazione del campo magnetico quadrupolo per una pulsar con punti caldi solo nell’emisfero meridionale.
Crediti: Goddard Space Flight Center della NASA

Riley e i suoi colleghi hanno eseguito cicli di simulazioni utilizzando cerchi sovrapposti di diverse dimensioni e temperature per ricreare i segnali radiografici. L’esecuzione delle loro analisi sul supercomputer nazionale olandese Cartesius ha richiesto meno di un mese, ma avrebbe richiesto circa 10 anni su un moderno computer desktop. La loro soluzione identifica due punti caldi, uno piccolo e circolare e l’altro lungo e a forma di mezzaluna.

Il gruppo di Miller ha eseguito simulazioni simili, ma con ovali di diverse dimensioni e temperature, sul supercomputer Deepthought2 di UMD . Hanno trovato due possibili e ugualmente probabili configurazioni spot. Uno ha due ovali che corrispondono perfettamente al modello trovato dalla squadra di Riley. La seconda soluzione aggiunge un terzo punto più freddo leggermente inclinato rispetto al polo di rotazione sud della pulsar.

Le previsioni teoriche precedenti suggerivano che le posizioni e le forme dei punti caldi potrebbero variare, ma gli studi J0030 sono i primi a mappare queste caratteristiche di superficie. Gli scienziati stanno ancora cercando di determinare perché i punti di J0030 sono disposti e modellati come sono, ma per ora è chiaro che i campi magnetici pulsar sono più complicati del tradizionale modello a due poli.

Il principale obiettivo scientifico di NICER è determinare con precisione le masse e le dimensioni di diverse pulsar. Con queste informazioni gli scienziati saranno finalmente in grado di decifrare lo stato della materia nei nuclei delle stelle di neutroni, materia schiacciata da enormi pressioni e densità che non possono essere replicate sulla Terra.

“È straordinario, e anche molto rassicurante, che i due team abbiano raggiunto dimensioni, masse e modelli hot spot simili per J0030 utilizzando approcci di modellazione diversi”, ha affermato Zaven Arzoumanian, responsabile scientifico della NICER presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland. “Ci dice che NICER è sulla strada giusta per aiutarci a rispondere a una domanda duratura in astrofisica: quale forma assume la materia nei nuclei ultra densi di stelle di neutroni?”

NICER è una missione di astrofisica all’interno del programma Explorers della NASA, che offre frequenti opportunità di volo per ricerche scientifiche di livello mondiale dallo spazio utilizzando approcci di gestione innovativi, snelli ed efficienti all’interno delle aree scientifiche di eliofisica e astrofisica. La direzione della missione della tecnologia spaziale della NASA supporta il componente SEXTANT della missione, dimostrando la navigazione su veicoli spaziali basati su pulsar.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. NICER View of PSR J0030 + 0451: stima dei parametri Pulsar in millisecondiTE Riley et al.  2019 ApJL 887 L21
  2. Una visione migliore di PSR J0030 + 0451: implicazioni per l’equazione di stato della materia densaG. Raaijmakers et al.  2019 ApJL 887 L22
  3. PSR J0030 + 0451 Massa e raggio dai dati NICER e implicazioni per le proprietà della materia stellare dei neutroniMC Miller et al.  2019 ApJL 887 L24
  4. Osservazioni ai raggi X di NICER di sette pulsar millisecondi a rotazione nelle vicinanzeSebastien Guillot et al.  2019 ApJL 887 L27

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